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Elektronischer Schalter zum schnellen Einschalten von Induktivitäten
mit geringem Leistungsbedarf im eingeschalteten Zustand Die Erfindung bezieht sich
auf einen elektronischen Schalter zum schnellen Einschalten von Induktivitäten mit
geringem Leistungsbedarf in eingeschaltetem Zustand.
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Elektronische Schalter zum schnellen Einschalten von induktiven Lasten
sind im Aufbau und im Aufwand stark von der Einschaltzeit abhängig, innerhalb derer
die Last eingeschaltet werden soll. Will man verhältnismäßig kurze Einschaltzeiten
erhalten, dann muß der gewöhnliche mechanische Schaltkontakt durch einen Transistor
oder durch eine Röhre ersetzt werden, da der einfache Kontakt zu langsam und zu
unsauber arbeitet. Dazu ist eine Ansteuerschaltung notwendig.
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Die bekannten Schaltungen haben bei hohen Schaltfrequenzen den Nachteil
eines großen Energieverbrauches.
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Es sind bereits eine Reihe von Schaltungen bekannt, die sich mit dem
schnellen Einschalten von Induktivitäten befassen. Die einfachste Schaltung geht
lediglich von der Tatsache aus, daß eine höhere Erregerspannung einen schnelleren
Stromanstieg bewirkt. Da gleichzeitig die Windungszahl nicht erhöht wird, muß zur
Strombegrenzung ein zusätzlicher Widerstand eingefügt werden. Der wesentliche Nachteil
dieser Schaltung ist, daß die Verlustleistung stark vergrößert wird. Außerdem ist
der Nachteil des exponentiellen Stromanstiegs nicht beseitigt, sondern es wird lediglich
durch Vergrößerung von R die Zeitkonstante
erniedrigt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Strom an Stelle der Spannung
zu erhöhen. Bei gleicher Amperewindungszahl wird dadurch ebenfalls die Zeitkonstante
z verkleinert. In einer Schaltungsvariante wird der strombegrenzende Zusatzwiderstand
durch einen Kondensator überbrückt. Durch geeignete Wahl der drei Schaltelemente
L, C und R kann der Stromanstieg wesentlich versteilert werden, wobei jedoch ein
überschwingen des Stroms eintritt.
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Bekannt ist ebenfalls, die zum Aufbau des magnetischen Feldes erforderliche
Energie durch Abschalten einer Hilfsinduktivität zu erzeugen. Diese Schaltung hat
jedoch den Nachteil, daß auch im Ruhezustand. d. h. wenn die Arbeitsinduktivität
bzw. der Elektromagnet nicht eingeschaltet ist, ein Strom durch die Hilfsinduktivität
fließen muß und so die Verlustleistung erhöht.
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Vergleicht man die Anforderungen, die an den elektronischen Schalter
während der Einschaltzeit und im Einschaltzustand gestellt werden, so zeigt sich,
daß sie nicht miteinander vereinbar sind. Da die Einschaltzeit indirekt proportional
zur Schaltleistung, dem Produkt aus maximaler Einschaltspannung und maximalem Einschaltstrom
ist, sind im Einschaltmoment hohe Spannungen und große Ströme erforderlich. Im eingeschalteten
Zustand hingegen genügen niedrige Spannungen und kleine Ströme. Es wird daher im
allgemeinen nicht möglich sein, mit einer Schaltung, die für den Einschaltmoment
optimal dimensioniert ist, zugleich einen günstigen Einschaltzustand zu erreichen.
Der leistungsmäßig günstigste elektronische Schalter wird daher aus zwei Schaltungsteilen
bestehen, die einzeln ein optimales Verhalten für den jeweiligen Zustand aufweisen.
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Eine Schaltungsanordnung, die nach diesen Gesichtspunkten aufgebaut
ist, besteht nun gemäß der Erfindung darin, daß die Induktivität während des Einschaltvorganges
zunächst über einen elektronischen Kontakt an eine hohe Spannung gelegt ist und
nach Erreichen des Nennstromes über einen anderen elektronischen Kontakt an eine
niedrige Spannung geschaltet wird und der Umschaltmoment von einer Vergleichsschaltung
bestimmt wird, in der eine aus der augenblicklichen Amplitude des durch die Induktivität
fließenden Stromes abgeleitete Spannung mit einer dem Nennstrom entsprechenden Bezugsspannung
verglichen wird.
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Die Schaltung erreicht unter den gegebenen Verhältnissen die minimal
mögliche Anstiegszeit. Sie zeichnet sich darüber hinaus durch einen minimalen Energieaufwand
aus. Einerseits kann ein Optimum für den eingeschalteten Zustand gewählt werden.
Andererseits wird für den Einschaltvorgang lediglich die theoretisch erforderliche
Energiemenge benötigt. Der angegebene elektronische Schalter hat durch
diese
Kombination von günstigen Eigenschaften einen wesentlichen Vorteil gegenüber bisher
bekannten Schaltungen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des elektronischen Schalters, F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel
einer Vergleichsschaltung.
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Eine Schaltung ist am günstigsten dimensioniert, wenn sie während
des Stromanstiegs die Arbeitsinduktivität an eine hohe Spannung schaltet und nach
Erreichen des Stromnennwertes auf eine niedrige Spannung umschaltet.
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Das Kriterium für die Umschaltung besteht in einem Stromvergleich,
bei dem in einer besonderen Vergleichsschaltung die Amplitude des in der Magnetspule
fließenden Stromes mit einer Vergleichsamplitude, die dem Nennstromwert entspricht,
verglichen wird. Da der Vergleich von Strömen in diesem Falle schaltungsmäßig ungünstig
ist, werden die entsprechenden Ströme in proportionale Spannungen umgewandelt. Für
den Spulenstrom ist dies durch Einschalten eines Meßwiderstandes in den Stromkreis
realisierbar. Die Vergleichsspannung wird durch Spannungsteilung aus einer festen
Batteriespannung gewonnen. Die Vergleichsschaltung gibt einen Impuls ab, sobald
der Spulenstrom den eingestellten Nennwert erreicht hat. Der Impuls wird nun dazu
benutzt, die Induktivität wieder von der Oberspannung zu trennen, indem der zugehörige
Transistorschalter gesperrt wird. Damit ist der Stromanstieg beendet und die Spannung
an der Induktivität geht auf den Wert Null zurück. Gleichzeitig wird der Schaltertransistor
'.0 des Haltestromkreises 8 geschlossen und der Haltestrom eingespeist. Die während
des Stromanstiegs zugeführte Energie W = IU - tan wird nahezu vollständig,
d. h. mit einem hohen Wirkungsgrad als Feldenergie W= 2 L12 ausgenutzt. Es wird
außerdem sichergestellt, daß die geforderte Nennamperewindungszahl genau eingehalten
wird.
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Nach F i g. 1 wird durch einen Steuerimpuls eine bistabile Kippstufe
1 in die Ein-Position geschaltet (Start). An diese ist über einen Leistungsverstärker
4 ein als elektronischer Kontakt dienender Transistorschalter 2 für die Treiberspannung
aus 3 angeschlossen, der in der genannten Kippstufenstellung geschlossen ist. Die
am Meßwiderstand 5 abfallende Spannung dient nun als Emittervorspannung eines Transistors
6 (F i g. 2), an dessen Basis die bei 6' einstellbare Vergleichsspannung angelegt
wird. Ist die Spannung am Emitter niedriger als die Vergleichsspannung, dann ist
der Transistor 6 gesperrt. Wenn jedoch die Vergleichsspannung erreicht ist, gibt
der Transistor 6 am Kollektor einen Stromimpuls ab, der zur Rückschaltung der Kippstufe
1 dient. Damit wird der Transistorschalter 2 gesperrt, die Spannung der Spule 7
geht auf Null zurück, und der Haltestrom für die Dauererregung wird vom Haltestromkreis
8 eingespeist.
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Der Haltestromkreis 8 besteht aus einer Spannungsquelle niedriger
Spannung und einem über Leistungsverstärker 9 angesteuerten Schalttransistor 10,
der als elektronischer Kontakt dient. Um die Treiberspannung vom Haltestromkreis
fernzuhalten, ist in den Strompfad außerdem eine Diode 11 eingeschaltet.